This research was supported by the National Science Foundation (Awards CMMI-1437050 and DMR-1207342), the Office of Naval Research (Grant N00014-10-10489), and the Air Force Office of Scientific Research (Grant FA9550-14-1-0090).

1. Preparazione Sr e Ti precursori per gli esperimenti ALD <ol><li> Caricare i puliti, saturatori secchi e nuovi precursori nell&#39;anticamera di un vano portaoggetti. Seguire la procedura di caricamento del cassetto portaoggetti per assicurare il corretto spurgo di aria e umidità. Trasferire il materiale nella camera principale. Nota: Questo gruppo utilizza Umidificatori in-casa costruita (vedi Figura 3) con componenti acquistati in commercio. Dettagli del gruppo di saturazione si possono trovare nella lista dei reagenti e attrezzature specifiche. </li><li> Conservare il precursore di stronzio (bis di stronzio (Sr triisopropylcyclopentadienyl) [(i PR 3 Cp) 2]) e titanio precursore (titanio tetraisopropoxide [Ti (O- i Pr) 4], TTIP) in ambiente inerte (ad esempio, un vano portaoggetti ) dopo l&#39;apertura della confezione originale fornita dal produttore. Nota: Questo gruppo utilizza un cassetto portaoggetti con un livello di umidità no greater a 5 ppm. </li><li> Caricare il precursore nel saturatore tale che il precursore occupa circa 2/3 della parte di vetro del saturatore (circa 5 g). </li><li> Rimontare i Saturatori e garantire una buona fuga si ottiene tenuta. Nota: Questo gruppo utilizza guarnizioni di metallo raccordi a tenuta volto a raggiungere perdite guarnizioni di tenuta. </li><li> Scaricare i Saturatori riempiti dal vano portaoggetti e collegare i Umidificatori pieni al collettore ALD. Nota: I precursori caricati possono essere utilizzati più volte per un periodo prolungato. I precursori nel sistema di questo gruppo in genere richiedono la ricarica ogni sei mesi diventano consumati. Sr (i PR 3 Cp) 2 è un liquido marrone sia RT e la temperatura operativa per questo studio (130 - 140 ° C). TTIP è un liquido chiaro. Quando TTIP si deteriora, in genere a causa di umidità e / o di contaminazione dell&#39;aria, il precursore si trasformerà in un solido bianco. Non vi è stato alcun visiIndicatore di bile di precursore di deterioramento per la Sr (i PR 3 Cp) 2 osservato da questo gruppo. Sr deterioramento precursore viene generalmente rilevato da una diminuzione significativa (superiore al 10%) dei contenuti Sr in crescita ALD ripetibile che utilizza Sr (i PR 3 Cp) 2. </li></ol> 2. Pulizia del Ge (001) substrato <ol><li> Inserire un substrato Ge (001) (18 mm x 20 mm), lato lucido rivolto verso l&#39;alto, in un piccolo becher (25-50 ml). Riempire il bicchiere fino a circa 1 cm di altezza con acetone. Porre il becher in un bagno sonicatore e ultrasuoni per 10 minuti. Nota: Questo gruppo utilizza lucido 4 in Ge wafer singolo lato, tagliate a 18 × 20 mm 2 pezzi con una sega a dadi. Utilizzare fortemente drogato di tipo n Ge se sono necessarie misure elettriche del film (questo studio utilizza wafer Ge Sb-drogati con ρ ≈ 0.04 Ω-cm), altrimenti ogni livello di drogaggio e droganti sono accettabili. </li><li> Decantare la maggior parte della acetone in un contenitore per rifiuti, facendo attenzione a non versare o capovolgere il substrato Ge. Sciacquare le pareti del bicchiere con alcool isopropilico (IPA) e riempire a circa 1 cm di altezza. Versare il maggior dell&#39;IPA in un contenitore di rifiuti, riempire becher da 1 cm con IPA e ultrasuoni per altri 10 min. </li><li> Ripetere il passaggio 2.2, ma sostituire IPA con acqua deionizzata. </li><li> Rimuovere il substrato dal bicchiere con una pinzetta. Essiccare il substrato con una pistola azoto o altro flusso di gas inerte secco. </li><li> Posizionare il substrato nel pulitore UV-ozono ed eseguire il pulitore per 30 min. </li><li> Dopo la pulizia UV-ozono, caricare immediatamente il substrato nel sistema di aspirazione. </li></ol> 3. Caricamento Ge substrato <ol><li> Spostare il trasferimento del campione linea di carrier-cart nella serratura carico. Chiudere la porta valvola per isolare il blocco di carico. </li><li> Spegnere la pompa turbomolecolare blocco del carico e aprire la linea di azoto per sfogare il blocco del carico. CompletarePasso 3,3 attesa del blocco carico per sfogare completamente. </li><li> Posizionare il substrato, lato lucido rivolto verso il basso, in un supporto mm campione di 20 mm × 20. Nota: Tutte le deposizioni vengono eseguiti con il campione verso il basso. Assicurarsi che il supporto sia a filo con il fondo del titolare; altrimenti esperimenti RHEED possono incontrare difficoltà e film non possono depositare in modo uniforme. Un portacampioni questo gruppo utilizza è mostrato in figura 4. </li><li> Aprire la serratura di carico dopo che è completamente scaricato. Collocare il supporto del campione nella posizione aperta carrier-cart allineando le linguette del supporto del campione con i canali della posizione di apertura della spesa e l&#39;abbassamento in posizione. </li><li> Chiudere il blocco del carico e accendere la pompa turbomolecolare blocco del carico. Chiudere la linea di azoto. </li><li> Attendere che la pressione nella serratura carico è di circa 5,0 × 10 -7 Torr prima di aprire la saracinesca di blocco del carico e spostando il carrello attraverso la linea di trasferimento. </li></ol> 4. Ge Deoxidization <ol><li> Trasferire il substrato Ge nella camera MBE. </li><li> Rampa la temperatura del substrato Ge a 550 ° C a 20 ° C • min -1 e poi a 700 ° C a 10 ° C • min -1. Dopo aver tenuto il campione a 700 ° C per 1 ora, raffreddare il campione a 200 ° C con un ° C • min -1 rampa tasso 30. </li><li> Utilizzare RHEED per confermare la superficie ricostruita 2 × 1, come descritto nella sezione Risultati Rappresentante. 26,39 </li><li> Opzionali: Utilizzare XPS per garantire che il substrato Ge (001) è privo di ossidi (descritto nella Sezione 8). </li></ol> 5. Thin Film ALD crescita di STO su Ge substrato <ol><li> Regolare la temperatura del reattore ALD a 225 ° C. </li><li> Sr calore (i PR 3 Cp) 2 a 130 ° C e TTIP a 40 ° C. Mantenere acqua a RT (tra 20 e 25 ° C). Regolare la portata vapore acqueo nel sistema ALDtramite la valvola ad ago attaccato al saturatore tale che la pressione dosaggio di acqua è di circa 1 Torr. Mantenere temperature precursori costanti durante tutto il processo di deposizione. </li><li> Trasferire il campione sotto vuoto al reattore ALD che è stato preriscaldato a 225 ° C e attendere 15 min per il campione raggiunga l&#39;equilibrio termico. </li><li> Commutare la luce di scarico del reattore ALD dalla pompa turbomolecolare alla pompa meccanica. </li><li> Accendere il controllore di flusso per consentire il flusso di gas inerte (questo gruppo utilizza argon). Mantenere una pressione di esercizio di 1 Torr durante l&#39;intero processo di crescita. </li><li> Impostare il rapporto ciclo di unità di Sr a Ti essere 2: 1. Impostare i cicli unità di Sr e Ti a una dose di 2 sec del precursore Sr o Ti, seguito da un argon spurgo 15 sec, e poi una dose da 1 sec di acqua, seguito da un altro 15 sec argon spurgo. </li><li> Regolare il numero di cicli apparecchio per ottenere lo spessore desiderabile. Assicurarsi che la sequenza di ALD ciclismo contieneil meno ripetizione di singole unità mostra Sr o Ti possibili. Ad esempio, un 2: sequenza di bicicletta 3 Sr-to-Ti sarà ottenere risultati migliori quando eseguito come 1-Sr, 1-Ti, seguiti da 1-Sr, 2-Ti, anziché 2-Sr seguite da 3-Ti. Nota: Questo gruppo ha utilizzato 36 cicli di unità di depositare a 2 nm film spesso STO su Ge. </li><li> Opzionali: Utilizzare XPS per verificare la composizione pellicola (descritto nella Sezione 8). </li></ol> 6. ricottura di STO Film <ol><li> Trasferire il campione depositato sotto vuoto nella camera di ricottura. </li><li> Riscaldare il campione a 650 ° C ad una velocità di 20 ° C • min -1 in condizioni UHV (10 -9 - 10 -8 Torr). Mantenere la temperatura a 650 ° C per 5 min, e poi raffreddare il campione a 200 ° C alla stessa velocità. Nota: utilizzare RHEED per valutare il risultato ricottura, come descritto nella sezione Risultati Rappresentante 26,39. </li></ol> 7. FuCrescita rther di STO <ol><li> Ripetere Sezione 5,1-5,5. </li><li> Impostare il rapporto di ciclo dell&#39;unità tra 1: 1 e 4: 3. Mantenere la stessa componente di dosaggio / spurgo all&#39;interno di ciascun ciclo unità. Impostare la sequenza in base ai principi di cui al punto 5.6. </li><li> Regolare il numero di cicli apparecchio per ottenere lo spessore desiderato. </li><li> Ricottura film depositato nel punto 6 del protocollo. </li></ol> 8. Misure XPS <ol><li> Caricare il campione nella camera di analisi XPS e accendere la sorgente di raggi X. Assicurarsi che tutte le porte appropriate / porte sono chiuse per evitare l&#39;esposizione accidentale ai raggi X. </li><li> Creare una nuova scansione selezionando gli elementi (vincolanti gamme di energia) desiderati per l&#39;analisi, o di selezionare un programma di scansione preesistente. Nota: Binding livelli di energia possono essere modificate manualmente, se necessario. Impostare altre impostazioni, come l&#39;energia passaggio, energia di eccitazione, energia passo, e il tempo passo per ottimizzare il rapporto segnale-rumore, ma rimangonocostante in tutte le scansioni elementari di mantenere la comparabilità tra gli spettri degli elementi. La tabella 1 mostra le impostazioni di scansione utilizzate da questo gruppo. </li><li> Controllare se la carica è in corso sul substrato osservando l&#39;energia di legame del picco di un elemento noto come O 1s a 531 eV. Nota: La carica si sta verificando se il picco si è spostato dal suo valore noto. </li><li> Inserire una pistola alluvione nella camera di XPS e accendere la pistola di alluvione se la carica è in corso. Regolare la produzione di energia pistola inondazioni e la distanza dal campione in modo che il picco prescelto è spostato di nuovo alla sua corretta energia di legame. </li><li> Manipolare la posizione di fase per massimizzare l&#39;area osservata sotto di picco di un elemento conosciuto (in genere il 1 O s picco a 531 eV). </li><li> Eseguire la scansione XPS e raccogliere i dati. </li><li> Spegnere la sorgente di raggi X e rimuovere il campione dai XPS. </li></ol>

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D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Atomic+layer+deposition+of+crystalline+SrHfO3+directly+on+Ge+(001)+for+high-k+dielectric+applications.">Atomic layer deposition of crystalline SrHfO3 directly on Ge (001) for high-k dielectric applications.</a> J. Appl. Phys. 117 (5), 054101 (2015).</li><li>Jahangir-Moghadam, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Band-Gap+Engineering+at+a+Semiconductor-Crystalline+Oxide+Interface.">Band-Gap Engineering at a Semiconductor-Crystalline Oxide Interface.</a> Adv. Mater. Interfaces. 2 (4), (2015).</li><li>Posadas, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Epitaxial+integration+of+ferromagnetic+correlated+oxide+LaCoO3+with+Si+(100).">Epitaxial integration of ferromagnetic correlated oxide LaCoO3 with Si (100).</a> Appl. Phys. Lett. 98 (5), 053104 (2011).</li><li>Ponath, P., Posadas, A. B., Hatch, R. C., Demkov, A. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Preparation+of+a+clean+Ge(001)+surface+using+oxygen+plasma+cleaning.">Preparation of a clean Ge(001) surface using oxygen plasma cleaning.</a> J. Vac. Sci. Technol. B. 31 (3), 031201 (2013).</li><li>Braun, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Applied RHEED: Reflection High-Energy Electron Diffraction During Crystal Growth. , (1999).</li><li>Moulder, J. F., Stickle, W. F., Sobol, P. E., Bomben, K. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Handbook of X-ray Photoelectron Spectroscopy. , (1992).</li><li>Vehkam&#228;ki, M., Hatanp&#228;&#228;, T., H&#228;nninen, T., Ritala, M., Leskel&#228;, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Growth+of+SrTiO3+and+BaTiO3+thin+films+by+atomic+layer+deposition.">Growth of SrTiO3 and BaTiO3 thin films by atomic layer deposition.</a> Electrochem. Solid-State Lett. 2 (10), 504-506 (1999).</li><li>Vehkam&#228;ki, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Atomic+Layer+Deposition+of+SrTiO3+Thin+Films+from+a+Novel+Strontium+Precursor-Strontium-bis(tri-isopropyl+cyclopentadienyl).">Atomic Layer Deposition of SrTiO3 Thin Films from a Novel Strontium Precursor-Strontium-bis(tri-isopropyl cyclopentadienyl).</a> Chem. Vap. Depos. 7 (2), 75-80 (2001).</li><li>Ritala, M., Leskel&#228;, M., Niinisto, L., Haussalo, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Titanium+isopropoxide+as+a+precursor+in+atomic+layer+epitaxy+of+titanium+dioxide+thin+films.">Titanium isopropoxide as a precursor in atomic layer epitaxy of titanium dioxide thin films.</a> Chem. Mater. 5 (8), 1174-1181 (1993).</li><li>Aarik, J., Aidla, A., Uustare, T., Ritala, M., Leskel&#228;, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Titanium+isopropoxide+as+a+precursor+for+atomic+layer+deposition:+characterization+of+titanium+dioxide+growth+process.">Titanium isopropoxide as a precursor for atomic layer deposition: characterization of titanium dioxide growth process.</a> Appl. Surf. Sci. 161 (3-4), 385-395 (2000).</li><li>Premkumar, P. A., Delabie, A., Rodriguez, L. N. J., Moussa, A., Adelmann, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Roughness+evolution+during+the+atomic+layer+deposition+of+metal+oxides.">Roughness evolution during the atomic layer deposition of metal oxides.</a> J. Vac. Sci. Technol. A. 31 (6), 061501 (2013).</li></ol>

Gli autori non hanno concorrenti interessi finanziari di rivelare.

La pulizia del substrato Ge è la chiave del successo quando cresce epitassiale perovskite con ALD. La quantità di tempo che un substrato Ge trascorre tra sgrassatura e disossidazione, e la quantità di tempo tra la deossidazione che la deposizione STO, deve essere mantenuta ad un minimo. I campioni sono ancora oggetto di esposizione contaminante anche sotto l&#39;ambiente UHV. L&#39;esposizione prolungata può portare a rideposizione di carbonio accidentale o Ge riossidazione, con conseguente crescita del film poveri. Questo gruppo ha impiegato una procedura sgrassante ampiamente utilizzata (sonicazione in acetone / IPA / DI-acqua con conseguente esposizione ai raggi UV-ozono) per rimuovere i contaminanti di carbonio. Un&#39;altra procedura con plasma di ossigeno in condizioni UHV può anche essere usato per rimuovere i contaminanti carbonio. 39 Il plasma di ossigeno anche ossidare la superficie del substrato Ge, ma l&#39;ossido può essere rimosso in un successivo protocollo disossidazione Ge. La disossidazione termica del protocollo GeO 2 presentato quiè efficace ai fini della crescita perovskite in questo studio. Oltre alla pulizia del substrato, è indispensabile per ottenere la stechiometria leggermente ricco di Sr, idealmente tra 0,53 e 0,54 Sr / (Sr + Ti), per ottenere la cristallizzazione durante la fase di annealing. Mentre i film con Sr / (Sr + Ti) compreso fra 0.48 e 0.57 possono tutti cristallizzare in varia misura, questo gruppo ha sperimentalmente trovato che i film STO con Sr / (Sr + Ti) tra 0.53 e 0.54 cristallizzano più facilmente. Cioè, cristallizzazione insorgenza può osservare ad una temperatura inferiore durante la rampa di temperatura (Passo 6.2) rispetto film con altre composizioni. La stechiometria tra Sr e Ti è determinata da vari parametri del processo di deposizione, come temperatura precursore, dosaggio e tempo di spurgo, temperatura del substrato, e rapporto di ciclo dell&#39;unità. La selezione di questi parametri dipende in gran parte la cinetica di reazione di ciascun precursore ALD. Basta pressione di vapore precursore ènecessaria nella camera del reattore per guidare l&#39;equilibrio verso la copertura completa della superficie e l&#39;adsorbimento delle molecole precursori. Una temperatura precursore e dosaggio adeguato tempo garantisca un precursore satura la superficie del substrato durante la fase di dosaggio di un ciclo dell&#39;unità ALD. La temperatura precursore impiegato in un esperimento ALD è determinato dalla revisione di una combinazione di rapporti nella letteratura, le specifiche dei produttori, e precedenti esperienze sperimentali con i composti. Questo gruppo regola tipicamente la temperatura precursore tale che la pressione di vapore precursore è circa 0,1 Torr. A causa della variazione tra diversi progetti di sistemi di deposizione, alcuni tentativi ed errori è generalmente necessario per trovare la temperatura precursore quando adotta un nuovo precursore. Analogamente, spurgo sufficiente è necessaria tale che la camera ALD è privo delle molecole precursori precedentemente trattati. Questo assicura un vero ALD processo depositando un materiale alla volta piuttosto che un CVD-like deposizione continua. precursori ALD possiedono anche le finestre di temperatura (la &quot;finestra ALD&quot;), dove la velocità di deposizione sarà quasi indipendente dalla temperatura del substrato. Durante la deposizione delle molecole precursori saranno saturare la superficie del substrato, evitando molecole aggiuntive da adsorbimento sulla superficie. Come risultato, la quantità di molecole-e-atomi depositati ogni ciclo sarà limitata dalle proprietà reagente adsorbimento e cinetica. Per un ossido ternaria come STO, i due precursori possono ancora avere diversi tassi di deposizione. Quindi, il rapporto di ciclo dell&#39;unità tra i precursori deve essere stabilito sperimentalmente. Questo gruppo si è stabilito dai parametri di cui alle sezioni da 5 a 7 nella sezione Protocollo tramite le specifiche del prodotto da parte dei produttori, i rapporti dalla letteratura, 42 - 45 e i dati da esperimenti precedenti 29,30. E &#39;stato trovato attraverso esperimenti che, anche se Sr: CYC TiLe rapporti di quasi 1: 1 produssero film STO stechiometrici su STO tamponata Si (001), a 2: 1 Sr:. rapporto di ciclo Ti è necessario per la crescita STO iniziale Ge 26 Di conseguenza, una crescita ALD due fasi viene usato per pellicole STO spessore maggiore di 2 nm. I film STO depositati utilizzando passi da 5 a 7 del protocollo sarà amorfa come depositato ed è necessario per temprare film. La temperatura di ricottura è stabilito sperimentalmente. 26,29,30, La necessità di temperature di ricottura superiori a 650 ° C possono indicare problemi con il substrato, come ad esempio un substrato non completamente pulita o stechiometria deviare dalla ideale a leggermente ricco di Sr stechiometria (es , ideale SrTiO 3 ha 20, 20, e 60% ​​atomico di Sr, Ti, e O, rispettivamente). Sebbene la perovskite stechiometria teorica dovrebbe produrre la migliore possibile cristallinità, sono stati osservati film leggermente A-ricchi cristallizzare meglio di film stechiometriche o ricco-B. Se il rapporto di Sr / (Sr + Ti) è al di là °e gamma di 0,48 a 0,57 sarà difficile cristallizzare il film durante il processo di ricottura. Questo gruppo ha ricotto film STO nella camera MBE dotato in situ RHEED per monitorare il processo di cristallizzazione, e quindi deciso i parametri per la procedura di ricottura. Dopo il completamento delle sezioni 4, 5, 6, e 7 del protocollo, si avrà la possibilità di valutare campione mediante XPS. Questo gruppo utilizzato in situ XPS per tutte le misure XPS descritti in questo articolo, cioè, i campioni sono rimasti nel sistema UHV in ogni momento. L&#39;uso di in situ XPS consente per la valutazione accurata del risultato dopo ogni fase dell&#39;esperimento. Pertanto, il contenuto di carbonio, un comune contaminante in ALD-in film depositato può essere valutato senza rischi di contaminazione da fonti di carbonio ambientali. I campioni non sono stati esposti ad una atmosfera ossidante dopo la crescita, che elimina la possibilità di altering proprietà della pellicola tramite ossidazione. Sebbene il rapporto stechiometrico tra Sr e Ti nel film STO depositato può essere regolata manipolando il rapporto di ciclo dell&#39;unità, il rapporto stechiometrico non può variare linearmente rispetto al rapporto tra i due precursori. Film STO, tra le altre perovskiti, sono più tolleranti verso la carenza di Ti (posti vacanti B-sito della perovskite) rispetto a quella di Sr (A-site). 26,31,33 Una buona stechiometria (tra 0,53 e 0,54 Sr / ( Sr + ti)) si tradurrà in una minore temperatura di cristallizzazione durante la ricottura. Utilizzando il protocollo prescritto, questo gruppo è cresciuto stechiometrica, film STO cristalline fino a 15 nm di spessore. 26 Per crescere un film più spesso, si potrebbe aver bisogno di depositare il film in più passaggi di crescita-e-ricottura, o cercare di promuovere in situ cristallizzazione. Con una temperatura di deposizione più elevata, il film può cristallizzare su di deposizione. Un inconveniente di promuovere in situ crystallization è che la rugosità dei film sembra essere maggiore di quelle pellicole cristallizzate da ricottura una pellicola amorfa dopo la deposizione. 46 L&#39;ALD di STO sulla sperimentazione Ge discussi in questo articolo può essere facilmente modificato per depositare un posto e B-site sostituito film perovskite. Questo può essere fatto sostituendo alcuni dei cicli dell&#39;unità Sr o TI con quelli degli elementi desiderabili, come il lantanio per la A-sito di afnio per la B-site. E &#39;anche possibile applicare i principi alla base di questo protocollo quando cresce altri ABO 3 film perovskite, come lo stronzio hafnate (SHO) 35 e bario titanato (BTO), 36 epitassiale su Ge (001). Le varie proprietà di ossidi di perovskite reticolo-abbinato forniscono consentirà lo sviluppo di dispositivi microelettronici perovskite basati monoliticamente integrati. Questo lavoro ha dimostrato il potenziale di crescita ossidi cristallini di applicazione del ap elettronica avanzatacomplicanze nel prossimo futuro, in particolare per i materiali semiconduttori ad alta mobilità, come Ge.

materiali perovskite stanno diventando sempre più attraente a causa della loro struttura cubica o pseudocubici altamente simmetrica e miriade di proprietà. Questi materiali, con formula generale ABO 3, costituiti da un atomi coordinati con 12 atomi di ossigeno e atomi B coordinati con sei atomi di ossigeno. A causa della loro struttura semplice, ma ampia gamma di elementi possibili, materiali di perovskite forniscono i candidati ideali per i dispositivi eterostruttura. Eterostrutture epitassiali di ossidi vantano ferromagnetico, 1-3 contro / ferroelettrico, 4 multiferroic, 5-8 superconduttore, 7 -. 12 e le funzionalità magnetoresistivi 13,14 Molte di queste proprietà elettroniche desiderabili sono interfacciale e quindi dipendente da pulire, transizioni brusche tra i materiali. La struttura e reticolo quasi identici costanti condivise tra i membri della famiglia perovskite consentono un&#39;eccellente ltraliccio di corrispondenza e, di conseguenza, le interfacce di alta qualità. Prontamente reticolare abbinati tra di loro, così come alcuni semiconduttori, ossidi di perovskite vengono ora rivolto a nell&#39;elettronica metallo-ossido-semiconduttore di nuova generazione. Monolitico integrazione di ossidi cristallini con silicone, prima dimostrato con perovskite titanato di stronzio, SrTiO 3 (STO), da McKee e colleghi, 15 è stato un passo monumentale verso la realizzazione di dispositivi elettronici con perovskite-semiconduttore incorporazione. Epitassia a fascio molecolare (MBE) è la tecnica principale per la crescita epitassiale di ossidi di silicio a causa della crescita layer-by-layer, nonche la pressione parziale dell&#39;ossigeno sintonizzabile necessario controllare amorfa, interfacciale formazione SiO 2 16 -. 19 Tipica crescita MBE STO su si (001) si ottiene disossidazione Sr-assistito di SiO 2. Sotto gli ultra-alto vuoto condizioni (UHV), sro è volatile e subJect per evaporazione termica. Poiché SrO è termodinamicamente preferito rispetto metallo stronzio e SiO 2, deposizione di Sr scavenges ossigeno dallo strato SiO 2 e la SrO risultante evapora dalla superficie. Durante questo processo la superficie del silicio sperimenta una ricostruzione 2 × 1 in corrispondenza della superficie che forma filari di atomi di silicio dimerizzate. Per comodità, ½ monostrato (ML) la copertura di atomi Sr sulla superficie ricostruita riempie i vuoti creati da queste righe dimero. 20 La copertura ½ ML fornisce uno strato protettivo che, con un attento controllo della pressione di ossigeno, in grado di prevenire o controllare interfacciale SiO 2 formazione durante la successiva crescita dell&#39;ossido 21 -. 23 nel caso di STO (e perovskiti con simili partita lattice), il lattice risultante viene ruotata di 45 ° nel piano tale che (001) STO ‖ (001) si e (100) STO ‖ (110) Si, permettendo registro tra il Si (3.84Å Si-Si distanza) e STO (a = 3.905 A) con solo una leggera deformazione di compressione sulla STO. Questo registro è necessario per le interfacce di alta qualità e le proprietà desiderate che possiedono. Silicon divenne industrialmente significativo a causa della elevata qualità del suo ossido interfacciale, ma SiO 2 uso è in fase di esaurimento per materiali in grado di prestazioni equivalenti a più piccole dimensioni caratteristiche. SiO 2 esperienze correnti di fuga elevate quando ultra-sottile e questo diminuisce le prestazioni del dispositivo. La domanda di piccole dimensioni caratteristiche potrebbe essere soddisfatta da film di ossido perovskite con alte costanti dielettriche, k, che forniscono prestazioni equivalenti a SiO 2 e sono fisicamente più spessi di SiO 2 per il fattore k /3.9. Inoltre, semiconduttori alternativi, come il germanio, offrire possibilità di funzionamento del dispositivo più veloce grazie alla mobilità di elettroni e buche più elevati rispetto al silicio. 24,25 Germanio ha anche un INTERFossido Acial, Geo 2, ma a differenza di SiO 2, è instabile e soggetto a disossidazione termica. Così, 2 × 1 ricostruzione è ottenibile mediante semplice ricottura termica sotto UHV, e uno strato protettivo Sr è necessaria per prevenire la crescita di ossido interfacciale durante la deposizione perovskite. 26 Malgrado l&#39;apparente facilità di crescita offerto da MBE, la deposizione di strati atomici (ALD) fornisce un metodo efficace più scalabile e costi rispetto MBE per la produzione commerciale di materiali di ossido. 27,28 ALD impiega dosi di precursori gassosi al substrato che sono auto- limitando nel loro reazione con la superficie del substrato. Pertanto, in un processo ALD ideale, fino a uno strato atomico viene depositato per qualsiasi precursore dosaggio ciclo e continuò dosaggio dello stesso precursore di non depositare materiale aggiuntivo sulla superficie. Funzionalità reattiva viene ripristinato con un co-reagente, spesso un ossidativo o precursore riduttiva (es, Acqua o ammoniaca). Il lavoro precedente ha dimostrato la crescita ALD di diversi film perovskite, come anatasio TiO2, SrTiO 3, Batio 3, e LaAlO 3, su Si (001) che era stata tamponata con quattro unità di celle STO spessore cresciuta tramite MBE. 29 - 34 In unicamente la crescita MBE di ossidi cristallini, ½ copertura monostrato di Sr su si pulita (001) è sufficiente per fornire una barriera contro SiO 2 formazione sotto le pressioni nativi alla tecnica (~ 10 -7 Torr). Tuttavia, in tipiche pressioni di esercizio ALD di ~ 1 Torr, lavoro precedente ha mostrato che quattro celle elementari di STO è necessario per evitare ossidazione della superficie di Si. 29 La procedura descritta qui utilizza l&#39;instabilità di GeO 2 e raggiunge integrazione monolitica di STO sul germanio via ALD senza la necessità di uno strato tampone MBE coltivate. 26 Inoltre, la distanza Ge-Ge interatomica (3.992 Å) sulla sua (100) di superficie permette un registro analogo epitassiale con STO che si osserva con Si (001). Sebbene la procedura qui presentata è specifica per STO sulla Ge, lievi possono consentono l&#39;integrazione monolitica di una varietà di film perovskiti in germanio. In effetti, la crescita ALD diretta di SrHfO cristallino 3 e Batio 3 film sono stati riferiti Ge. 35,36 possibilità supplementari includono il potenziale dell&#39;ossido di gate, SrZr x ti 1-x O 3. 37 Infine, sulla base di studi precedenti di crescita perovskite ALD su una pellicola STO cella quattro unità su si (001) 29 - 34 suggerisce che qualsiasi film che potrebbe essere coltivata sulla piattaforma STO / si potrebbe essere coltivate su un STO pellicola tampone ALD-coltivate su Ge, quali LaAlO 3 e LaCoO 3. 32,38 La moltitudine di proprietà disponibili per eterostrutture di ossidi e notevole somiglianza tra gli ossidi di perovskite suggerire questa procedura potrebbe essere utilizzato to studio precedentemente combinazioni di crescita difficili o impossibili con una tecnica tale industrialmente valida. La figura 1 illustra lo schema del sistema di aspirazione, che comprende ALD, MBE e camere analitici collegati da una linea di trasferimento 12 piedi. I campioni possono essere trasferiti sotto vuoto tra ciascuna camera. La pressione di base della linea di trasferimento viene mantenuta a circa 1,0 × 10 -9 Torr da tre pompe ioniche. Il sistema commerciale ultraviolette e raggi X spettroscopia fotoelettronica angolo risolta (XPS) è mantenuto con una pompa ionica tale che la pressione nella camera analitica viene mantenuta a circa 1,0 × 10 -9 Torr. Il reattore ALD è rettangolare camera di acciaio inox personalizzato con un volume di 460 cm 3 e lunghezza di 20 cm. Uno schema del reattore ALD è mostrato in Figura 2. Il reattore è una parete calda, continuo flusso incrociato tipo di reattore.Campioni posti nel reattore hanno una distanza di 1,7 cm tra la superficie superiore del substrato e il soffitto della camera e 1,9 cm tra la parte inferiore del substrato e il pavimento della camera. Un nastro di riscaldamento, alimentato da un alimentatore dedicato, è avvolto intorno alla camera dall&#39;ingresso di circa 2 cm oltre la porta di scarico e fornisce un controllo della temperatura delle pareti del reattore. Un controllore di temperatura regola la potenza di ingresso al nastro riscaldante secondo una misura di temperatura adottata da una coppia termico posto tra il nastro di riscaldamento e la parete del reattore esterno. Il reattore viene poi completamente avvolto con tre ulteriori nastri riscaldamento di potenza costante fornita da un variac, e un ultimo strato di lana di vetro con rivestimento in alluminio fornisce l&#39;isolamento a promuovere il riscaldamento uniforme. La potenza del variac viene regolato in modo che la temperatura minimo (quando l&#39;alimentazione dedicato alimentazione è spento) del reattore è di circa 175 ° C. Il reattore è passivamente raffreddato tramite aria ambiente. La temperatura del substrato è calcolato usando l&#39;equazione lineare-fit (1), dove T s (° C) è la temperatura del substrato e T c (° C) è la temperatura della parete del reattore, ottenuta misurando direttamente un substrato munito una termocoppia. Un profilo di temperatura esiste lungo la direzione del flusso della camera a causa della saracinesca freddo che collega il reattore alla linea di trasferimento; il profilo di temperatura perpendicolare alla direzione del flusso è trascurabile. Il profilo di temperatura provoca una deposizione Sr ricco all&#39;avanguardia del campione, ma la variazione composizione lungo campione è piccola (meno di 5% di differenza tra i bordi iniziale e finale del campione) secondo XPS. 31 Lo scarico del reattore viene collegato ad una pompa turbomolecolare e una pompa meccanica. Durante il processo ALD, il reattore viene pompato dalla pompa meccanica per mantenere la pressione a circa 1 Torr. Altrimenti, il Reactopressione r viene mantenuta inferiore a 2,0 × 10 -6 Torr dalla pompa turbomolecolare. (1) T s = 0.977T c + 3.4 La camera MBE viene mantenuta ad una pressione basale di circa 2,0 × 10 -9 Torr o inferiore da una pompa criogenica. La pressione parziale di varie specie nella camera MBE è monitorato da un analizzatore di gas residuo. La pressione di H 2 sfondo è circa 1.0 × 10 -9 Torr, mentre quelli di O 2, CO, N 2, CO 2 e H 2 O, meno di 1,0 × 10 -10 Torr. Inoltre, la camera MBE è inoltre dotato di sei celle di effusione, quattro tasche dell&#39;evaporatore fascio elettronico, una sorgente di plasma di azoto atomico e una fonte di plasma di ossigeno atomico con valvola di alta precisione piezoelettrico perdite, e diffrazione di elettroni ad alta energia di riflessione (RHEED ) sistema per il real-time nelle osservazioni di crescita e di cristallizzazione in situ. il sammanipolatore ple consente il substrato viene riscaldato a 1000 ° C utilizzando un riscaldatore carburo di silicio ossigeno-resistenti.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" width="963">
	<tbody>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;width:285px;">MBE</td>
			<td style="width:235px;">DCA</td>
			<td style="width:143px;">M600</td>
			<td style="width:301px;"></td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;">Cryopump for MBE</td>
			<td>Brooks Automation, Inc.</td>
			<td>On-Board 8</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;">Residual Gas Analyzer for MBE</td>
			<td>Extorr, Inc.</td>
			<td>XT200M</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="23">
			<td height="23" style="height:23px;">ALD Reaction Chamber</td>
			<td>Huntington Mechanical Laboratories</td>
			<td>N/A</td>
			<td>Custom manufactured, hot-wall, stainless steel, rectangular (~20 cm long, 460 cm3)</td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;">ALD Saturator</td>
			<td>Swagelok/Larson Electronic Glass</td>
			<td>See comments</td>
			<td>Custom-built from parts supplied by Swagelok and Larson Electronic Glass. The saturator is made out of 316 stainless steel and Pyrex. All parts are connected via butt welding. Swagelok catalog numbers:SS-4-VCR-7-8VCRF, SS-4-VCR-1, SS-8-VCR-1-03816, SS-8-VCR-3-8MTW, 316L-12TB7-6-8, SS-8-VCR-9, SS-4-VCR-3-4MTW, SS-T2-S-028-20&#160; Larson Electronic Glass catalog number: SP-075-T</td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;">Manual Valves for Saturators</td>
			<td>Swagelok</td>
			<td>SS-DLVCR4-P and 6LVV-DPFR4-P.</td>
			<td>Both diaphragm-sealed valves are used interchangably by this group. The specific connectors (VCR male/female/etc.) to use will depend on the actual system design.</td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;">ALD Valves</td>
			<td>Swagelok</td>
			<td>6LVV-ALD3TC333P-CV</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;">ALD System Tubing</td>
			<td>Swagelok</td>
			<td></td>
			<td>316L tubing of various sizes. This group uses inner diameter of 1/4&#34;</td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;">ALD power supply</td>
			<td>AMETEK Programmable Power, Inc.</td>
			<td>Sorensen DCS80-13E</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;">ALD Temperature Controller</td>
			<td>Schneider Electric</td>
			<td>Eurotherm 818P4</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;">ALD Valve Controller&#160;</td>
			<td>National Instruments</td>
			<td>LabView</td>
			<td>Program developed within the group</td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;">XPS</td>
			<td>VG Scienta</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;">RHEED</td>
			<td>Staib Instruments</td>
			<td>CB801420</td>
			<td>18 keV at ~3&#176; incident angle</td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;">RHEED Analysis System</td>
			<td>k-Space Associates</td>
			<td>kSA 400</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;">Digital UV Ozone System</td>
			<td>Novascan</td>
			<td>PSD-UV 6</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;">Ozone Elimination System</td>
			<td>Novascan</td>
			<td>PSD-UV OES-1000D</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;">Strontium bis(triisopropylcyclopentadienyl)</td>
			<td>Air Liquide</td>
			<td>HyperSr</td>
			<td>Mildly reactive to air and water. Further information supplied by Air Liquide can be found at https://www.airliquide.de/inc/dokument.php/standard/1148/airliquide-hypersr-datasheet.pdf</td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;">Titanium tetraisopropoxide (TTIP)</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>87560</td>
			<td>Flammable in liquid and vapor phase</td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;">Ge (001) wafer</td>
			<td>MTI Corporation</td>
			<td>GESBA100D05C1</td>
			<td>4&#34;, single-side polished Sb-doped wafer with &#961; &#8776; 0.04 &#937;-cm</td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;">Argon (UHP)</td>
			<td>Praxair</td>
			<td>N/A</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;">Deionized Water</td>
			<td>N/A</td>
			<td>N/A</td>
			<td>18.2 M&#937;-cm</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

epitaxial growth of perovskite strontium titanate on germanium via atomic layer deposition

Atomic layer deposition (ALD) is a commercially utilized deposition method for electronic materials. ALD growth of thin films offers thickness control and conformality by taking advantage of self-limiting reactions between vapor-phase precursors and the growing film. Perovskite oxides present potential for next-generation electronic materials, but to-date have mostly been deposited by physical methods. This work outlines a method for depositing SrTiO3 (STO) on germanium using ALD. Germanium has higher carrier mobilities than silicon and therefore offers an alternative semiconductor material with faster device operation. This method takes advantage of the instability of germanium's native oxide by using thermal deoxidation to clean and reconstruct the Ge (001) surface to the 2&#215;1 structure. 2-nm thick, amorphous STO is then deposited by ALD. The STO film is annealed under ultra-high vacuum and crystallizes on the reconstructed Ge surface. Reflection high-energy electron diffraction (RHEED) is used during this annealing step to monitor the STO crystallization. The thin, crystalline layer of STO acts as a template for subsequent growth of STO that is crystalline as-grown, as confirmed by RHEED. In situ X-ray photoelectron spectroscopy is used to verify film stoichiometry before and after the annealing step, as well as after subsequent STO growth. This procedure provides framework for additional perovskite oxides to be deposited on semiconductors via chemical methods in addition to the integration of more sophisticated heterostructures already achievable by physical methods.

Le figure 5 e 6 mostrano tipica raggi X fotoelettroni spettri e immagini RHEED da un substrato di Ge puliti e disossidato. Un substrato Ge successo-disossidato è caratterizzato dalla sua &quot;faccina&quot; 2 × 1 ricostruito modello RHEED. 26,39 Inoltre, le linee Kikuchi si osservano anche nelle immagini RHEED, che indicano la pulizia e l&#39;ordine a lungo raggio del campione. 40 la nitidezza e l&#39;intensità del modello di diffrazione dimostrano anche la pulizia della superficie. Il Ge 3 d raggi X dello spettro di fotoelettroni deve essere priva di picchi Ge ossidati, con il picco Ge 0 osservata a 30 eV. Questo può anche essere confermato dall&#39;assenza di un O 1 s Funzione a 531 eV. Il film STO ALD coltivati ​​è amorfo sulla deposizione e esemplificato tramite un&#39;immagine confusa RHEED, come quella di figura 6B </strong&gt;. Al fine di ottenere un film cristallina sul ricottura, i parametri ALD vengono regolati in modo tale che un po Sr-ricca stechiometria è ottenuta nel film STO depositato. Questo gruppo si propone di solito per un rapporto tra Sr totale Sr e Ti (vale a dire, Sr / (Sr + Ti)) di 0,53-0,54. La composizione pellicola può essere verificato tramite l&#39;integrazione dei fotoelettroni spettri a raggi X con opportuni fattori di sensibilità relativa e altri parametri, come indicato al punto 8 del protocollo. Questo gruppo ha ottenuto i parametri sia consultato il manuale di X-ray Spettroscopia fotoelettronica da Moulder et al., 41 così come utilizzando disponibili in commercio cristalli di perovskite come standard. Un povero rapporto stechiometrico tra Sr e Ti (cioè, quando il film è Ti-ricco o Sr / (Sr + Ti) è maggiore di 0,57) si tradurrà in scarsa cristallinità, o la sua mancanza, dopo la fase di ricottura. Una volta che ilPellicola STO è stato ricotto, la sua cristallinità può essere osservato attraverso il modello RHEED, come mostrato nelle figure 6C e 6D. Il modello RHEED di un film STO con una crescita epitassiale su buona Ge dovrebbe presentare modelli di striscia taglienti. La cristallinità del film STO depositato può essere confermata mediante diffrazione di raggi X. Figura 7 illustra lo schema diffrazione di raggi X di STO epitassiale su Ge con picchi caratteristici di STO (001) a 22,8 °, STO (002) a 46,5 ° e Ge (004) a 66,0 °. La natura epitassiale del film può essere direttamente confermata mediante microscopia elettronica a trasmissione ad alta risoluzione trasversale (HRTEM). La Figura 8 mostra nel registro epitassiale di alta qualità fra STO e Ge nonché il brusco passaggio tra strati. Misure elettriche di epitassiale STO on Ge possono anche essere condotte. La Figura 9 mostra la capacità voltetà (CV) e corrente-tensione (IV) misure di un condensatore metallo-isolante-semiconduttore (MOS) realizzato depositando un raggio di 50 micron Ti / Au elettrodo superiore sulla STO / n + Ge (001). La misura CV di un film STO 15 nm dalla figura 9A suggerisce la capacità della struttura è 5,3 uF / cm 2. La costante dielettrica del film STO è quindi di circa 90 e produce uno spessore di ossido equivalente inferiore a 0,7 nm. La Figura 9B mostra la densità di corrente di dispersione del condensatore MOS è di circa 10 A / cm 2 ad un campo applicato di 0.7MV / cm. La densità di corrente di dispersione deve essere previsto a causa della mancanza di banda di conduzione offset tra STO e Ge. Deposito altre pellicole di Ge, come STO e stronzio hafnate Al-drogato (SHO), migliora la perdita di densità di corrente. 26,35 Infatti, SHO dà una dispersione di corrente densità inferiore a 10 -5 A / cm 2 alla stessa campo applicato. : = &quot;1&quot;&gt; together.within-page keep- <img alt="Figura 1" src="/files/ftp_upload/54268/54268fig1.jpg" /> Figura 1. Schema del sistema di aspirazione collegato. Il sistema di aspirazione contiene MBE, ALD, e le camere analitici collegati tra loro da una linea di trasferimento ultra-alto vuoto, consentendo nel trasferimento del campione sotto vuoto. <a href="https://www-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/54268/54268fig1large.jpg" target="_blank">Si prega di cliccare qui per vedere una versione più grande di questa figura.</a> <img alt="figura 2" src="/files/ftp_upload/54268/54268fig2.jpg" /> Figura 2. ALD progettazione del reattore. La camera ALD ha un volume pari a 460 cm 3 e lunghezza di 20 cm. Il gas di trasporto batte precursori dalle saturatori al reattore, e gas di scarico vengono rimossi attraverso la porta pompa turbomolecolare. Il campione viene trasferito nella zona di reazione del reattore dall&#39;estremità opposta all&#39;ingresso del gas.<html> e.com/files/ftp_upload/54268/54268fig2large.jpg &quot;target =&quot; _ blank &quot;&gt; Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura. <img alt="Figura 3" src="/files/ftp_upload/54268/54268fig3.jpg" /> Figura 3. ALD precursore di saturazione. (A) Schema di su misura di saturazione di questo gruppo così come altre parti utilizzate per la consegna precursore nella camera di ALD. (B) e (C) mostrano la parte superiore e inferiore del saturatore rispettivamente. Le due parti sono collegate tramite un raccordo VCR, e sono smontati durante il riempimento del saturatore. Tutte le parti sono in acciaio inossidabile 316, con l&#39;eccezione di un adattatore di acciaio Pyrex da acciaio, e sono collegati tra loro tramite saldatura di testa. Informazioni dettagliate di queste parti può essere trovato nella lista dei reagenti e attrezzature specifiche.rget = &quot;_ blank&quot;&gt; Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura. <img alt="Figura 4" src="/files/ftp_upload/54268/54268fig4.jpg" /> Figura 4. Supporto vuoto del campione di sistema. (A) Un porta-campione e un substrato di 18 × 20 mm 2 Ge. (B) un portacampioni con il substrato Ge caricato. Si noti che il lato lucido sia rivolto verso il basso. <a href="https://www-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/54268/54268fig4large.jpg" target="_blank">Si prega di cliccare qui per vedere una versione più grande di questa figura.</a> <img alt="Figura 5" src="/files/ftp_upload/54268/54268fig5.jpg" /> Figura 5. X-ray photoelectron spettri. (A) Ge 3 d, (B) o 1 s, (C) Sr 3 d, e (D) Ti 2 p prima crescita ALD (rosso fissoline), dopo 36 cicli di unità (~ 2 nm STO) (tratteggiata linea marrone), e dopo 155 cicli di unità (~ 8 nm STO) (solido linea nera). <a href="https://www-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/54268/54268fig5large.jpg" target="_blank">Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.</a> <img alt="Figura 6" src="/files/ftp_upload/54268/54268fig6.jpg" /> Figura 6. immagini RHEED (A) Un pulito substrato Ge dopo disossidazione termica, (B) dopo la seconda deposizione STO (155 cicli unitari, come-depositato), e (C) -. (D) dopo ricottura a 650 ° C. Il fascio è allineato lungo la [110] e [100] azimuth per (C) e (D), rispettivamente. <a href="https://www-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/54268/54268fig6large.jpg" target="_blank">Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.</a> Figura di raggi X 7. modello di diffrazione. Il pattern di diffrazione per un 15-nanometri di spessore pellicola STO cresciuto di ALD su Ge (001) a 225 ° C. Nel riquadro:. Dondolo curva intorno al STO (002) picco <a href="https://www-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/54268/54268fig7large.jpg" target="_blank">Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.</a> <img alt="Figura 8" src="/files/ftp_upload/54268/54268fig8.jpg" /> Figura 8. trasversale al microscopio ad alta risoluzione di trasmissione di elettroni. HRTEM raffigura STO di alta qualità su Ge. Nel riquadro:.-Area selezionata pattern di diffrazione di elettroni che mostra registro epitassiale tra il substrato e il film <a href="https://www-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/54268/54268fig8large.jpg" target="_blank">Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.</a> Figura 9. CV e IV curva di un condensatore MOS con STO. (A) capacità specifica in funzione della tensione di polarizzazione per un 15-nm di spessore pellicola STO su n + Ge (001) da ALD, e (B) la dispersione delle porte densità di corrente in funzione della tensione di polarizzazione misurata da un tipico Au (Ti ) / STO struttura / Ge. La struttura del condensatore metallo-isolante-semiconduttore è stato creato depositando raggio di 50 micron Ti / Au elettrodo superiore sulla pellicola STO. <a href="https://www-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/54268/54268fig9large.jpg" target="_blank">Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.</a> <table fo:keep-together.within-page="1"><tbody><tr><td rowspan="2"> Nome regione </td><td rowspan="2"> Modalità Lens </td><td rowspan="2"> Passo Energia (eV) </td><td rowspan="2"> Excitazione Energia (eV) </td><td rowspan="2"> Modalità Energy </td><td colspan="2"> Energia (eV) </td><td rowspan="2"> Energia Step (MeV) </td><td rowspan="2"> Passo Tempo (sec) </td><td rowspan="2"> passi </td></tr><tr><td> Basso </td><td> alto </td></tr><tr><td> Indagine Scan </td><td> Trasmissione </td><td> 200 </td><td> 1.486,6 </td><td> Obbligatorio </td><td> 0 </td><td> 1300 </td><td> 800 </td><td> 0,286 </td><td> 1657 </td></tr><tr><td> 3d sr </td><td> Trasmissione </td><td> 100 </td><td> 1.486,6 </td><td> Obbligatorio </td><td> 127,805 </td><td> 140.1942 </td><td> 50 </td><td> 0.157 </td><td> 499 </td></tr><tr><td> Ti 2p </td><td> Trasmissione </td><td> 100 </td><td> 1.486,6 </td><td> Obbligatorio </td><td> 449 </td><td> 471 </td><td> 50 </td><td> 0.157 </td><td> 691 </td></tr><tr><td&gt; O 1s </td><td> Trasmissione </td><td> 100 </td><td> 1.486,6 </td><td> Obbligatorio </td><td> 515 </td><td> 545 </td><td> 50 </td><td> 0.157 </td><td> 851 </td></tr><tr><td> 1s C </td><td> Trasmissione </td><td> 100 </td><td> 1.486,6 </td><td> Obbligatorio </td><td> 277,5 </td><td> 302.5 </td><td> 50 </td><td> 0.157 </td><td> 751 </td></tr><tr><td> Ge 3d </td><td> Trasmissione </td><td> 100 </td><td> 1.486,6 </td><td> Obbligatorio </td><td> 24 </td><td> 36 </td><td> 50 </td><td> 0.157 </td><td> 491 </td></tr></tbody></table> Tabella 1. Impostazioni di scansione XPS.

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Epitaxial Growth of Perovskite Strontium Titanate on Germanium via Atomic Layer Deposition

Dettagli Questo lavoro le procedure per la crescita e caratterizzazione di SrTiO cristallina 3 direttamente su substrati germanio per deposizione strato atomico. La procedura illustra la capacità di un metodo di crescita all-chimico per integrare ossidi monoliticamente su semiconduttori per dispositivi a semiconduttore metallo-ossido.

Crescita epitassiale di perovskite titanato di stronzio su Germanio via Atomic Layer Deposition

Atomic layer deposition (ALD) is a commercially utilized deposition method for electronic materials. ALD growth of thin films offers thickness control and ...

epitaxial-growth-perovskite-strontium-titanate-on-germanium-via

Nanyang Technological University

Research

JoVE Journal

Chemistry

12.3K Views.  The University of Texas at Austin.  Dettagli Questo lavoro le procedure per la crescita e caratterizzazione di SrTiO cristallina 3 direttamente su substrati germanio per deposizione strato atomico. La procedura illustra la capacità di un metodo di crescita all-chimico per integrare ossidi monoliticamente su semiconduttori per dispositivi a semiconduttore metallo-ossido. 

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Preparation of Hydrophobic Metal-Organic Frameworks via Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition of Perfluoroalkanes for the Removal of Ammonia

Plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD) of perfluoroalkanes has long been studied for tuning the wetting properties of surfaces. For high surface area microporous materials, such as metal-organic frameworks (MOFs), unique challenges present themselves for PECVD treatments. Herein the protocol for development of a MOF that was previously unstable to humid conditions is presented. The protocol describes the synthesis of Cu-BTC (also known as HKUST-1), the treatment of Cu-BTC with PECVD of perfluoroalkanes, the aging of materials under humid conditions, and the subsequent ammonia microbreakthrough experiments on milligram quantities of microporous materials. Cu-BTC has an extremely high surface area (~1,800 m2/g) when compared to most materials or surfaces that have been previously treated by PECVD methods. Parameters such as chamber pressure and treatment time are extremely important to ensure the perfluoroalkane plasma penetrates to and reacts with the inner MOF surfaces. Furthermore, the protocol for ammonia microbreakthrough experiments set forth here can be utilized for a variety of test gases and microporous materials.

Herein the procedures for plasma enhanced chemical vapor deposition of perfluoroalkanes on microporous materials such as metal-organic frameworks to enhance their stability and hydrophobicity are described. Furthermore, breakthrough testing of milligram quantities of samples is described in detail.

Preparazione del idrofobi Frameworks Metal-Organic tramite Plasma avanzata Chemical Vapor Deposition del perfluoroalcani per la rimozione di ammoniaca

Plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD) of perfluoroalkanes has long been studied for tuning the wetting properties of surfaces. For high ...

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Chimica

Atomically Defined Templates for Epitaxial Growth of Complex Oxide Thin Films

Atomically defined substrate surfaces are prerequisite for the epitaxial growth of complex oxide thin films. In this protocol, two approaches to obtain such surfaces are described. The first approach is the preparation of single terminated perovskite SrTiO3 (001) and DyScO3 (110) substrates. Wet etching was used to selectively remove one of the two possible surface terminations, while an annealing step was used to increase the smoothness of the surface. The resulting single terminated surfaces allow for the heteroepitaxial growth of perovskite oxide thin films with high crystalline quality and well-defined interfaces between substrate and film. In the second approach, seed layers for epitaxial film growth on arbitrary substrates were created by Langmuir-Blodgett (LB) deposition of nanosheets. As model system Ca2Nb3O10- nanosheets were used, prepared by delamination of their layered parent compound HCa2Nb3O10. A key advantage of creating seed layers with nanosheets is that relatively expensive and size-limited single crystalline substrates can be replaced by virtually any substrate material.

Various procedures are outlined to prepare atomically defined templates for epitaxial growth of complex oxide thin films. Chemical treatments of single crystalline SrTiO3 (001) and DyScO3 (110) substrates were performed to obtain atomically smooth, single terminated surfaces. Ca2 Nb3 O10- nanosheets were used to create atomically defined templates on arbitrary substrates.

Modelli atomicamente definiti per epitassiale crescita di ossido Complex Thin Films

Atomically defined substrate surfaces are prerequisite for the epitaxial growth of complex oxide thin films. In this protocol, two approaches to obtain ...

Synthesis and Reaction Chemistry of Nanosize Monosodium Titanate

This paper describes the synthesis and peroxide-modification of nanosize monosodium titanate (nMST), along with an ion-exchange reaction to load the material with Au(III) ions. The synthesis method was derived from a sol-gel process used to produce micron-sized monosodium titanate (MST), with several key modifications, including altering reagent concentrations, omitting a particle seed step, and introducing a non-ionic surfactant to facilitate control of particle formation and growth. The resultant nMST material exhibits spherical-shaped particle morphology with a monodisperse distribution of particle diameters in the range from 100 to 150&#160;nm. The nMST material was found to have a Brunauer-Emmett-Teller (BET) surface area of 285 m2g-1, which is more than an order of magnitude higher than the micron-sized MST. The isoelectric point of the nMST measured 3.34 pH units, which is a pH unit lower than that measured for the micron-size MST. The nMST material was found to serve as an effective ion exchanger under weakly acidic conditions for the preparation of an Au(III)-exchange nanotitanate. In addition, the formation of the corresponding peroxotitanate was demonstrated by reaction of the nMST with hydrogen peroxide.

The surfactant mediated sol-gel synthesis of nanosized monosodium titanate is described, along with preparation of the corresponding peroxide modified material. An ion-exchange reaction with Au(III) is also presented.

Sintesi e Reazione chimica della nanosize monosodico titanato

This paper describes the synthesis and peroxide-modification of nanosize monosodium titanate (nMST), along with an ion-exchange reaction to load the ...

Layer-by-layer Synthesis and Transfer of Freestanding Conjugated Microporous Polymer Nanomembranes

CMP as large surface area materials have attracted growing interest recently, due to their high variability in the incorporation of functional groups in combination with their outstanding thermal and chemical stability, and low densities. However, their insoluble nature causes problems in their processing since usually applied techniques such as spin coating are not available. Especially for membrane applications, where the processing of CMP as thin films is desirable, the processing problems have hindered their commercial application.
Here we describe the interfacial synthesis of CMP thin films on functionalized substrates via molecular layer-by-layer (l-b-l) synthesis. This process allows the preparation of films with desired thickness and composition and even desired composition gradients.
The use of sacrificial supports allows the preparation of freestanding membranes by dissolution of the support after the synthesis. To handle such ultra-thin freestanding membranes the protection with sacrificial coatings showed great promise, to avoid rupture of the nanomembranes. To transfer the nanomembranes to the desired substrate, the coated membranes are upfloated at the air-liquid interface and then transferred via dip coating.

In this paper we describe the interfacial synthesis of conjugated microporous polymers (CMP) on sacrificial substrates, and the dissolution of the substrate for the preparation of freestanding CMP nanomembranes. In addition, we will describe how the fragile nanomembranes can be transferred to other substrates.

Sintesi layer-by-layer e di trasferimento delle Freestanding coniugati microporosi Polymer nanomembrane

CMP as large surface area materials have attracted growing interest recently, due to their high variability in the incorporation of functional groups in ...

Preparation of Macroporous Epitaxial Quartz Films on Silicon by Chemical Solution Deposition

This work describes the detailed protocol for preparing piezoelectric macroporous epitaxial quartz films on silicon(100) substrates. This is a three-step process based on the preparation of a sol in a one-pot synthesis which is followed by the deposition of a gel film on Si(100) substrates by evaporation induced self-assembly using the dip-coating technique and ends with a thermal treatment of the material to induce the gel crystallization and the growth of the quartz film. The formation of a silica gel is based on the reaction of a tetraethyl orthosilicate and water, catalyzed by HCl, in ethanol. However, the solution contains two additional components that are essential for preparing mesoporous epitaxial quartz films from these silica gels dip-coated on Si. Alkaline earth ions, like Sr2+ act as glass melting agents that facilitate the crystallization of silica and in combination with cetyl trimethylammonium bromide (CTAB) amphiphilic template form a phase separation responsible of the macroporosity of the films. The good matching between the quartz and silicon cell parameters is also essential in the stabilization of quartz over other SiO2 polymorphs and is at the origin of the epitaxial growth.

A protocol is presented for the preparation of piezoelectric macroporous epitaxial films of quartz on silicon by solution chemistry using dip-coating and thermal treatments in air.

Preparazione di macroporosi Epitassiali Films quarzo su silicio da Solution Chemical Deposition

This work describes the detailed protocol for preparing piezoelectric macroporous epitaxial quartz films on silicon(100) substrates. This is a three-step ...

Photochemical Oxidative Growth of Iridium Oxide Nanoparticles on CdSe@CdS Nanorods

We demonstrate a procedure for the photochemical oxidative growth of iridium oxide catalysts on the surface of seeded cadmium selenide-cadmium sulfide (CdSe@CdS) nanorod photocatalysts. Seeded rods are grown using a colloidal hot-injection method and then moved to an aqueous medium by ligand exchange. CdSe@CdS nanorods, an iridium precursor and other salts are mixed and illuminated. The deposition process is initiated by absorption of photons by the semiconductor particle, which results with formation of charge carriers that are used to promote redox reactions. To insure photochemical oxidative growth we used an electron scavenger. The photogenerated holes oxidize the iridium precursor, apparently in a mediated oxidative pathway. This results in the growth of high quality crystalline iridium oxide particles, ranging from 0.5 nm to about 3 nm, along the surface of the rod. Iridium oxide grown on CdSe@CdS heterostructures was studied by a variety of characterization methods, in order to evaluate its characteristics and quality. We explored means for control over particle size, crystallinity, deposition location on the CdS rod, and composition. Illumination time and excitation wavelength were found to be key parameters for such control. The influence of different growth conditions and the characterization of these heterostructures are described alongside a detailed description of their synthesis. Of significance is the fact that the addition of iridium oxide afforded the rods astounding photochemical stability under prolonged illumination in pure water (alleviating the requirement for hole scavengers).

A protocol for the photochemical oxidative growth of small crystalline iridium oxide nanoparticles on the surface of CdSe@CdS seeded rod nanoparticles is presented.

Fotochimica ossidativa crescita di Iridium ossido di nanoparticelle su CdSe @ CdS Nanorods

We demonstrate a procedure for the photochemical oxidative growth of iridium oxide catalysts on the surface of seeded cadmium selenide-cadmium sulfide ...

Influence of Hybrid Perovskite Fabrication Methods on Film Formation, Electronic Structure, and Solar Cell Performance

Hybrid organic/inorganic halide perovskites have lately been a topic of great interest in the field of solar cell applications, with the potential to achieve device efficiencies exceeding other thin film device technologies. Yet, large variations in device efficiency and basic physical properties are reported. This is due to unintentional variations during film processing, which have not been sufficiently investigated so far. We therefore conducted an extensive study of the morphology and electronic structure of a large number of CH3NH3PbI3 perovskite where we show how the preparation method as well as the mixing ratio of educts methylammonium iodide and lead(II) iodide impact properties like film formation, crystal structure, density of states, energy levels, and ultimately the solar cell performance.

We present an extensive study on the effects of different fabrication methods for organic/inorganic perovskite thin films by comparing crystal structures, density of states, energy levels, and ultimately the solar cell performance.

Influenza di ibridi metodi di fabbricazione perovskite sulla formazione cinematografica, struttura elettronica e le prestazioni delle celle solari

Hybrid organic/inorganic halide perovskites have lately been a topic of great interest in the field of solar cell applications, with the potential to ...

Reactive Vapor Deposition of Conjugated Polymer Films on Arbitrary Substrates

We demonstrate a method of conformally coating conjugated polymers on arbitrary substrates using a custom-designed, low-pressure reaction chamber. Conductive polymers, poly(3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT) and poly(3,4-propylenedioxythiophene) (PProDOT), and a semiconducting polymer, poly(thieno[3,2-b]thiophene) (PTT), were deposited on unconventional highly-disordered and textured substrates with high surface areas, such as paper, towels and fabrics. This reported deposition chamber is an improvement of previous vapor reactors because our system can accommodate both volatile and nonvolatile monomers, such as 3,4-propylenedioxythiophene and thieno[3,2-b]thiophene. Utilization of both solid and liquid oxidants are also demonstrated. One limitation of this method is that it lacks sophisticated in situ thickness monitors. Polymer coatings made by the commonly used solution-based coating methods, such as spin-coating and surface grafting, are often not uniform or susceptible to mechanical degradation. This reported vapor phase deposition method overcomes those drawbacks and is a strong alternative to common solution-based coating methods. Notably, polymer films coated by the reported method are uniform and conformal on rough surfaces, even at a micrometer scale. This feature allows for future application of vapor deposited polymers in electronics devices on flexible and highly textured substrates.

This paper presents a protocol for reactive vapor deposition of poly(3,4-ethylenedioxythiophene), poly(3,4-propylenedioxythiophene), and poly(thieno[3,2-b]thiophene) films on glass slides and rough substrates, such as textiles and paper.

Deposizione di vapore reattiva di film polimerici coniugati su substrati arbitrari

We demonstrate a method of conformally coating conjugated polymers on arbitrary substrates using a custom-designed, low-pressure reaction chamber. ...

Deposition of Porous Sorbents on Fabric Supports

A microwave deposition technique for silanes, previously described for production of oleophobic fabrics, is adapted to provide a fabric support material that can be subsequently treated by dip coating. Dip coating with a sol preparation provides a supported porous layer on the fabric. In this case, the porous layer is a porphyrin functionalized sorbent system based on a powdered material that has been demonstrated previously for the capture and conversion of phosgene. A representative coating is applied to cotton fabric at a loading level of 10 mg/g. This coating has minimal impact on water vapor transport through the fabric (93% of the support fabric rate) while significantly reducing transport of 2-chloroethyl ethyl sulfide (CEES) through the material (7% of support fabric rate). The described approaches are suitable for use with other fabrics providing amine and hydroxyl groups for modification and can be used in combination with other sol preparations to produce varying functionality.

This report details a microwave-initiated approach for deposition of porphyrin functionalized porous organosilicate sorbents on a cotton fabric and demonstrates reduction in 2-chloroethyl ethyl sulfide (CEES) transport through the fabric resulting from this treatment.

Deposizione di porosi assorbenti su supporti di tessuto

A microwave deposition technique for silanes, previously described for production of oleophobic fabrics, is adapted to provide a fabric support material ...

Solvothermal Synthesis of MIL-96 and UiO-66-NH2 on Atomic Layer Deposited Metal Oxide Coatings on Fiber Mats

Metal-organic frameworks (MOFs), which contain reactive metal clusters and organic ligands allowing for large porosities and surface areas, have proven effective in gas adsorption, separations, and catalysis. MOFs are most commonly synthesized as bulk powder, requiring additional processes to adhere them to functional devices and fabrics that risk decreasing the powder porosity and adsorption capacity. Here, we demonstrate a method of first coating fabrics with metal oxide films using atomic layer deposition (ALD). This process creates conformal films of controllable thickness on each fiber, while providing a more reactive surface for MOF nucleation. By submerging the ALD coated fabric in solution during solvothermal MOF synthesis, the MOFs create a conformal, well-adhered coating on the fibers, resulting in a MOF-functionalized fabric, without additional adhesion materials that may block MOF pores and functional sites. Here we demonstrate two solvothermal synthesis methods. First, we form a MIL-96(Al) layer on polypropylene fibers using synthetic conditions that convert the metal oxide to MOF. Using initial inorganic films of varying thicknesses, diffusion of the organic linker into the inorganic allows us to control the extent of MOF loading on the fabric. Second, we perform a solvothermal synthesis of UiO-66-NH2 in which the MOF nucleates on the conformal metal oxide coating on polyamide-6 (PA-6) fibers, thereby producing a uniform and conformal thin film of MOF on the fabric. The resulting materials can be directly incorporated into filter devices or protective clothing and eliminate the maladroit qualities of loose powder.

Solvothermal Synthesis of MIL-96 and UiO-66-NH2 on Atomic Layer Deposited Metal Oxide Coatings on Fiber Mats

Metal-organic frameworks are effective in gas storage and heterogeneous catalysis, but typical synthesis methods result in loose powders that are difficult to incorporate into smart materials. We demonstrate a method of first coating fabrics with ALD metal oxides, resulting in conformal films of MOF on the fabrics during solvothermal synthesis.

Sintesi di Solvothermal di MIL-96 e UiO-66-NH2 su strato atomico depositato rivestimenti in ossido di metallo su stuoie di fibra

Metal-organic frameworks (MOFs), which contain reactive metal clusters and organic ligands allowing for large porosities and surface areas, have proven ...